KR100442813B1 - 비선형 통신 채널 신호의 검출 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비선형 통신 채널을 통해 수신된 신호로부터 데이터를 보다 정확히 검출하기 위한 처리방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 비선형 통신 채널 신호의 검출 방법은 비선형 통신 채널을 통해 수신된 신호 x(t)를 샘플링한 디지털 신호 x_k로부터 데이터를 검출하는 방법은 (a) 리커런트 신경회로망 방식에 의해 디지털 신호 x_k를 등화하여 y_k를 얻는 단계; 및 (b) y_k를 최대 유사 검출 방식에 의해 데이터를 검출하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 비선형 간섭을 효율적으로 제거할 수 있고, 잡음의 영향을 최소화되고, 장치로 구현하는 경우 그 하드웨어가 간단하다.

Description

비선형 통신 채널 신호의 검출 방법 및 그 장치

본 발명은 디지털 신호 검출방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 특히 비선형 통신 채널을 통해 수신된 신호로부터 데이터를 보다 정확히 검출하기 위한 처리방법 및 그 장치에 관한 것이다.

이하에서는 대표적인 비선형 통신 채널인 저장기기 채널을 통해 수신된 신호를 예로 하여 설명한다.

정보화 시대가 도래함에 따라, 많은 양의 데이터를 손쉽게 저장하고 사용할 수 있도록 데이터 저장기기를 고속 대용량화하는 연구가 활발히 진행 중이다. 일반적으로, 저장기기가 고밀도화가 되어감에 따라 저장기기를 통과한 신호들의 상호 간섭이 증가하여 신호 검출에 어려움이 생긴다. 이와 같은 일련의 신호 간섭을 심볼간 간섭(Inter Symbol Interference : 이하에서 ISI라 한다)이라 한다.

비선형 통신 채널인 저장기기를 통과한 신호가 비선형적 요소를 많이 포함하고 있는 경우, 기존의 선형 필터에 의해서는 이와같은 비선형적 요소를 제거하거나 원하는 형태로 변환하기 어려워 시스템의 성능이 상당히 저하된다.

자기(Magnetic)에 의한 저장기기를 통과한 신호는 자기력이 다른 신호와 상호 가까워질수록 비선형적인 요소를 더욱 많이 포함한다. 이는 자기력이 상호 다른 신호들 간에는 트랜지션 쉬프트(Transition Shift) 현상 및 부분감쇠(Partial Erasure) 현상 등이 야기되기 때문이다. 여기에서, 트랜지션이란 자기(Magnetic)의 서로 다른 성분인 +극과 -극이 만나는 지점을 말하며, 신호 검출에 이용된다. 트랜지션 쉬프트는 트랜지션이 이동되는 현상으로서 비트 이동, 데이터 종속 위치 이동이라고도 한다. 그리고, 부분 감쇠는 좌우의 서로 다른 신호의 경계선 일부가 사그라지는 현상이다.

광에 의한 저장기기를 통과한 신호는 사용되는 렌즈의 특성, 초점의 실수, 비점수차(astigmation), 구면수차(spherical aberration), 코마수차(coma aberration) 및 디스크의 기울어짐 영향 등에 의해 비선형적 특성을 갖는다.

광 자기에 의한 저장기기를 통과한 신호의 경우에는 이상의 두 경우들이 복합되어 일어난다.

특히, 자기에 의한 저장기기를 통과한 신호의 경우, 비트 쉬프트(Bit-Shift)의 영향은 선행처리에 의해 제거된다 하더라도, 두 신호 사이의 간섭에 의해 부분적으로 생긴 감쇠에 의한 영향은 여전히 존재한다. 따라서, 신호를 선형적으로 등화하는 데에는 한계가 있다. 저장기기에 의해 생기는 비선형 특성 중 자기 기록장치에 의해 생기는 비선형 특성은 비트 쉬프트와 부분 삭제에 의해 가장 지배를 많이 받으며, 볼테라 커널(Volterra Kernel)의 3승 항에 대부분의 비선형적 신호가 대응된다.

재생 신호로부터 ISI와 비선형 왜곡을 등화하기 위한 방식으로는 비트비 알고리듬(Viterbi Algorithm : 이하에서 VA라 한다)이 있다. 이 방식은 재생 신호열과 기록했을 가능성이 있는 모든 신호열과의 차이의 제곱을 가능성 있는 신호열별로 전부 더하여 최소가 되게 함으로써 기록했을 가능성이 있는 신호열을 선택하는 방식이다. 이 방식은 트렐리스 트랜지션 다이어그램(trellis transition diagram)을 이용하여 구현됨으로써 신호열의 복구가 비교적 빠르고 쉽게 이루어진다.

위에서 제안한 방식을 실제 채널에 적용하여 간단화한 것이 소위 차등 부분 응답 클래스 4 비트비 알고리듬(Differential PR4 VA)이며, 미국 특허 4,644,564, "DECODING THE OUTPUT SIGNAL OF A PARTIAL RESPONSE CLASS-IV COMMUNICATION OR RECORDING DEVICE CHANNEL"으로 등록되어 있다. 이 특허는 부분 응답 클래스 4 비트비 알고리듬(PR4 VA)를 차등 메트릭(differential metric)으로 구현하여 간단히하였다. 그러나, 저장기기의 기록 밀도가 높아감에 따라 부분 응답 클래스 4(PR4) 채널과 맞지 않는 부분의 ISI의 영향이 증가함에도 불구하고, 상기 특허에서는 이러한 현상이 근본적으로 완전히 제거되지 않는다. 또한, 상기 특허는 선형 부분 응답 타겟 등화기(Linear Partial Response Target Equalizer : 이하에서 선형 PREQ라 한다)를 사용하여 등화하기 때문에 비선형 채널에서는 성능이 상당히 저하된다.

위와 같은 단점을 극복하기 위하여, 선형 PREQ 대신에 비선형 특성을 다룰 수 있는 다층 퍼셉트론(Multilayer Perceptron) 등화기를 사용하는 방식이 있다. 이 방식에 의하면, 선형 PREQ에 비해 성능이 우수한 대신 많은 수의 필터탭이 요구되는 단점이 있다.

미국 특허 5,132,988는 결정 피드백 등화기(Decision Feedback Equalizer : 이하에서 DFE라 한다)를 피드백 필터 대신에 피드백 램(feedback RAM)을 사용하여 구현하였다. 일반적으로, 저장기기의 비선형 특성은 과거 데이터에 영향을 많이 받으므로, 피드백 신호의 ISI를 처리하기 위한 피드백 램에 의해 거의 제거된다. 그러나, 이 장치는 저장기기 내의 서로 다른 트랙으로부터의 신호를 읽어낼 때는 상당히 많은 양의 데이터를 이용하여 램(RAM)을 새로이 갱신(update)시켜야만 원하는 성능으로 신호를 읽어낼 수가 있다. 기존 방식으로 피드포워드(Feedforward) 부분의 등화기를 적응시킬 때는 이 부분이 선형 등화기로 이루어져 있음에도 불구하고, 비선형 특성에도 적응하기를 강요하게 된다. 따라서, 필터의 계수가 최적의 값으로 적응되기 위해서는 상당한 시간이 추가로 더 소모되며, 그 값이 어떤 값으로 수렴되더라도 수렴되는 값의 분산(variance)이 크게 되는 단점이 있다.

일반적으로, DFE로 구현된 등화기는 VA에 의한 등화기보다 성능이 열화되기 마련이다. 물론 ISI가 심하고 포스트커서(postcursor)에 의한 비선형적 특성이 우세한 자기에 의한 저장기기의 경우, DFE는 램(RAM) 등을 사용하면 그 성능이 PR4나 EPR4와는 견줄만하기도 하나, 에러 전파(Error Propagation), 구현을 위한 비용문제 등 때문에 VA보다는 선택의 폭이 좁다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 비선형 간섭을 효율적으로 제거할 수 있고, 잡음의 영향을 최소화하고, 하드웨어 구현 비용이 적은 비선형 신호 검출방법 및 그 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 비선형 통신 채널 신호의 검출장치의 구성을 도시한 전체 블록도이다.

도 2는 기존의 재귀 신경회로망 등화기의 구조를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 의한 재귀 신경회로망 등화기의 구조를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명을 비롯한 여러 등화방식의 성능을 비교한 그래프이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 비선형 통신 채널을 통해 수신된 신호 x(t)를 샘플링한 디지털 신호 x_k로부터 데이터를 검출하는 방법은 (a) 재귀 신경회로망 방식에 의해 상기 디지털 신호 x_k를 등화하여 y_k를 얻는 단계; 및 (b) 상기 y_k를 최대 유사 검출 방식에 의해 데이터를 검출하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 비선형 통신 채널을 통해 수신된 신호 x(t)를 샘플링한 디지털 신호 x_k로부터 데이터를 검출하는 장치는 상기 디지털 신호 x_k를 등화하여 y_k를 얻는 재귀 신경회로망 등화기; 및 상기 y_k에 의해 데이터를 검출하는 최대유사 검출기를 포함함을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 비선형 채널에서 기존 시스템에 비해 적은 하드웨어를 사용하면서도 아주 신뢰성있는 검출을 할 수 있도록, 적은 탭 수로 비선형 채널을 등화할 수 있는 재귀 신경회로망 등화기와 잡음의 영향을 최소화할 수 있는 최대유사(Maximum-likehood) 검출기를 결합한다.

본 발명이 적용되는 일반적인 과정은 도 1과 같다. 수신된 신호 x_k는 재귀 신경회로망 등화기(100)을 지나 최대유사 검출기(110)에 맞는 목표 신호 y_k로 등화된다. y_k는 최대유사 검출기(110)를 통과하면서 송신한 원래 신호로 검출된다.

최대유사 검출기(110)에서 사용할 목표 부분 응답은 1-D^2, 1+D-D^2-D^3등과 같은 형태의 채널이다. 재귀 신경회로망 등화기(100)는 일반적인 다층 퍼셉트론(Mutilayer Perceptron) 등화기에 비해, 망 출력신호가 되돌아 온다는 차이점이 있다. 망 출력 신호가 되돌아 오면, 통신 채널의 특성에 따라 필터탭수를 줄일 수 있다. 신경회로망 방식의 등화기는 선형 등화기에서는 할 수 없는 비선형 신호 처리를 통한 비선형 등화 기능을 수행할 수 있다.

도 2는 일반적인 재귀 신경회로망의 실시예이다.

도 3은 최대유사 검출기(110)와 연결을 위해 개선된 재귀 신경회로망 등화기(100)의 구조이다.

이하에서 본 발명에 의한 비선형 통신 채널 신호의 검출장치의 동작을 설명한다.

도 1에서 수신된 입력 신호 x_k는 재귀 신경회로망 등화기(100)을 지나 최대유사 검출기(110)에 맞는 목표 신호 y_k로 등화된다. y_k는 최대유사 검출기(110)를 통과하면서 송신한 원래 신호로 검출된다.

입력 신호 x_k가 재귀 신경회로망 등화기(100)의 출력 신호 y_k로 등화되는 일련의 과정을 수식으로 나타내면 다음과 같다.

여기서 y_k는 재귀 신경회로망 등화기(100)의 출력 신호이고, Wij는 리커런드 신경회로망 등화기(100)의 계수이며, y^j _k-1는 재귀 신경회로망 등화기(100)의 각 노드(300, 320, 330, 340)에 구비된 시그모이드(sigmoid) 수단의 출력 신호이다. 여기에서 각 노드에서는 한 클럭이 지연됨으로써, 소정의 시점에서의 출력 신호는 그보다 한 클럭 이전의 입력 신호가 처리된 값이다.

도 3에서 x_k는 제0 노드(300)를 통과하면서 아무런 변화없이 y⁰ _k이 된다. 입력 신호 x_k와 y⁰ _k는 동일한 신호이나, 설명을 용이하게 하기 위하여 다른 이름으로 나타낸 것이다.

제0 노드에서 y⁰ _k은 소정의 계수 w30, w10, w20이 각각 곱해져, 제3 덧셈 수단(310), 제1 노드(330) 및 제2 노드(340)로 출력된다.

제1 노드(330)로 들어온 신호들은 제1 덧셈 수단에 의해 모두 합하여진다. 제1 덧셈 수단에 의해 합하여진 신호는 제1 시그모이드(sigmoid) 수단에 의해 시그모이드 매핑 처리된 값(y¹ _k)으로 출력된다. 이 신호 y¹ _k에는 소정의 계수 w31, w11, w21이 각각 곱해져, 제3 덧셈 수단(310), 제1 노드(330) 및 제2 노드(340)로 출력된다.

제2 노드(340)로 들어온 신호들은 제2 덧셈 수단에 의해 모두 합하여진다. 제2 덧셈 수단에 의해 합하여진 신호는 제2 시그모이드(sigmoid) 수단에 의해 시그모이드 매핑 처리된 값(y² _k)으로 출력된다. 이 신호 y² _k에는 소정의 계수 w32, w12, w22가 각각 곱해져, 제3 덧셈 수단(310), 제1 노드(330) 및 제2 노드(340)로 출력된다.

제3 노드로 들어온 신호들은 제3 덧셈 수단(310)에 의해 모두 합하여진 뒤, 그 값(y_k)이 최대유사 검출기(110)으로 출력되어, 결국 본 발명에 의한 등화기의 출력이 된다. 또한, 제3 덧셈 수단(310)의 출력(y_k)는 제3 시그모이드 수단(320)으로 출력된다. 따라서, 도 2에 도시된 기존의 재귀 신경회로망 등화기가 2진 값을 출력하는 것에 비하여, 도 3에 도시된 본 발명에 의한 재귀 신경회로망 등화기는 최대유사 검출기(110)에서 이용 가능한 다중 레벨의 값을 출력하게 된다.

제3 시그모이드 수단(320)으로 들어온 신호 y_k는 시그모이드 매핑 처리된 값(y³ _k)으로 출력된다. 이 신호 (y³ _k)에는 소정의 계수 w33, w13, w23이 각각 곱해져, 제3 덧셈 수단(310), 제1 노드(330) 및 제2 노드(340)로 출력된다.

도 4는 선형 등화기, 다층 퍼셉트론(Multilayer Perceptron) 등화기 및 재귀 신경회로망 등화기를 각각 최대유사 검출기와 같이 사용한 경우, 그 성능을 비교한 그래프이다. 그래프에 의하면, 리커런터 신경회로망 등화기를 사용한 경우, 비교적 적은 탭수로 구성되었음에도 불구하고 우수한 성능을 보이고 있음을 알 수 있다.

본 발명에 의하면, 사용되는 등화기가 신경회로망 구조로 이루어져 비선형 간섭을 효율적으로 제거할 수 있다.

그리고, 본 발명에서 사용되는 검출기는 최대유사 검출을 수행하여 잡음의 영향을 최소화한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 신경회로망 등화기는 재귀 구조로 이루어져 하드웨어가 간단하다.

Claims (4)

1. 비선형 통신 채널을 통해 수신된 신호 x(t)를 샘플링한 디지털 신호 x_k(여기에서 k는 소정의 시점을 나타내는 인덱스이다)로부터 데이터를 검출하는 방법에 있어서,

   (a) 재귀 신경회로망 방식에 의해 상기 디지털 신호 x_k를 등화하여 y_k를 얻는 단계; 및

   (b) 상기 y_k를 최대 유사 검출 방식에 의해 데이터를 검출하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 비선형 통신 채널 신호의 검출방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 (a)단계는

   상기 디지털 신호 x_k를 수학식

   (여기에서, W_ij는 리커런드 신경회로망 등화기의 소정의 계수이고, yⁱ _k-1는 재귀 신경회로망 등화기의 각 노드의 출력 신호이고, 특히 y⁰ _k-1는 x_k이다)

   에 의해 y_k를 얻는 단계임을 특징으로 하는 비선형 통신 채널 신호의 검출방법.
3. 비선형 통신 채널을 통해 수신된 신호 x(t)를 샘플링한 디지털 신호 x_k(여기에서 k는 소정의 시점을 나타내는 인덱스이다)로부터 데이터를 검출하는 장치에 있어서,

   상기 디지털 신호 x_k를 등화하여 y_k를 얻는 재귀 신경회로망 등화기; 및

   상기 y_k에 의해 데이터를 검출하는 최대유사 검출기를 포함함을 특징으로 하는 비선형 통신 채널 신호의 검출장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 재귀 신경회로망 등화기는

   상기 디지털 신호 x_k에 각각 소정의 계수를 곱하여 제1 노드, 제2 노드 및 제3 노드로 출력하는 제10 곱셈 수단, 제20 곱셈 수단 및 제30 곱셈 수단을 구비한 제0 노드;

   제0 노드, 제1 노드, 제2 노드 및 제3 노드로부터 수신되는 모든 신호를 더하는 제1 덧셈 수단,

   상기 제1 덧셈 수단의 출력 신호를 시그모이드 매핑 처리한 y¹ _k신호를 산출하는 제1 시그모이드 수단,

   상기 y¹ _k신호에 각각 소정의 계수를 곱하여 제1 노드, 제2 노드 및 제3 노드로 출력하는 제11 곱셈 수단, 제21 곱셈 수단 및 제31 곱셈 수단을 구비한 제1 노드;

   제0 노드, 제1 노드, 제2 노드 및 제3 노드로부터 수신되는 모든 신호를 더하는 제2 덧셈 수단,

   상기 제2 덧셈 수단의 출력 신호를 시그모이드 매핑 처리한 y² _k신호를 산출하는 제2 시그모이드 수단,

   상기 y² _k신호에 각각 소정의 계수를 곱하여 제1 노드, 제2 노드 및 제3 노드로 출력하는 제12 곱셈 수단, 제22 곱셈 수단 및 제32 곱셈 수단을 구비한 제2 노드; 및

   제0 노드, 제1 노드, 제2 노드 및 제3 노드로부터 수신되는 모든 신호를 더하여, 상기 최대유사 검출기로 출력되는 출력 신호 y_k를 산출하는 제3 덧셈 수단,

   상기 제3 덧셈 수단의 출력 신호를 시그모이드 매핑 처리한 y³ _k신호를 산출하는 제3 시그모이드 수단,

   상기 y³ _k신호에 각각 소정의 계수를 곱하여 상기 제3 덧셈 수단, 제1 노드 및 제2 노드로 출력하는 제13곱셈 수단, 제23 곱셈 수단 및 제33 곱셈 수단을 구비한 제3 노드를 포함함을 특징으로 하는 비선형 통신 채널 신호의 검출장치.